JP2020032462A - 熱延鋼板の調質圧延方法 - Google Patents

Abstract

【課題】調質圧延の速度に応じて変化する伸長率を上下限内に制御しつつ、荷重の変化に伴う形状変化を形状制御アクチュエータの操作によって矯正できる熱延鋼板の調質圧延方法を提供する。【解決手段】圧延の開始前に、圧延対象となる金属帯の諸元、調質圧延条件に基づいて圧延開始時と圧延開始後における伸長率、圧延荷重及びベンダー量をそれぞれ計算によって求める計算工程と、該計算工程で計算によって求められた伸長率、圧延荷重及びベンダー量に基づいて調質圧延を行う圧延工程とを有し、圧延開始時の計算においては、ベンダー量を前記調質圧延機の設備仕様の上下限±２０％以内となるように制約すると共に、伸長率を予め与えられた所定の範囲内として前記計算を行い、前記圧延開始後の計算においては、前記ベンダー量を調質圧延機の設備仕様の上下限以内となるように制約すると共に、伸長率を予め与えられた所定の範囲内として前記計算を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、金属鋼帯等で行われる熱延鋼板の調質圧延方法に関するものである。

近年、形状が平坦な鋼板が需要家から求められており、図１７に示すような鋼板における(a)腹伸び、(b)耳波等の鋼板製品の形状も許容限度が厳しくなり、形状についての品質保証は重要な課題となっている。
また、調質圧延以降の工程においても、形状不良は通板トラブルの原因となるため、最終製品以外でも平坦な鋼板形状が求められる。

熱延鋼板を製造する熱間圧延工程の形状制御は、通常仕上げ圧延機列の後段スタンドで、形状制御アクチュエータであるワークロールベンダーやワークロールシフト、ペアクロスなどの機構を用いて行われる。
その際、仕上げ圧延工程出側のランアウトテーブルにおける走行性や水乗り、コイラーでの巻き取り性を考慮して急峻度約1%〜2%の耳波気味で圧延するのが一般的である。

また、熱延鋼板の形状はコイラーでの巻き取りやコイルヤードでの冷却工程において変化する事、熱間圧延工程における形状測定が容易ではないことから、多くの割合で精整工程である調質圧延ラインへと送られる。
調質圧延ラインでの役割は上記形状不良の矯正の他、不良部のカット、表面検査、ストレッチャーストレインの除去などが挙げられる。

一般的な圧延では鋼板が形状不良として有する伸び差率が、圧延によって与えられる伸び差率よりも相対的に小さいため、ワークロールが変形しない理想条件であれば、純粋に伸び率を付与するだけで形状は改善する。

しかし、一般的な圧延と比較して、調質圧延では鋼板に付与する伸長率が約0.5%〜2.0%と、鋼板が形状不良として有する伸び差率と同程度のひずみしか付与できない。このため、調質圧延後の鋼板の形状を平坦にするためには、鋼板に最低限付与する伸長率を鋼板全長において確保する必要がある。
ここで伸長率とは式(1)のように入側板厚（H_in）と出側板厚（H_out）によって定義される値であり、調質圧延工程での鋼板の変形の大きさを表す量である。

そのため一般的な調質圧延工程では、鋼板に付与する伸長率に上下限を設定し、鋼板の全長で設定した伸長率の上下限に収めるような操業が行われるが、鋼板が変形抵抗のひずみ速度依存性を有しているために、圧延速度の遅い鋼板の先端部では上限に近い伸長率で、圧延速度の速い鋼板の中央部では下限に近い伸長率で操業されている。

調質圧延速度が500mpmを超えるような場合や、伸長率の上下限が客先からの要望等で狭い場合には鋼板全長で伸長率を目標範囲内に納めることが難しくなる。この場合の解決策は大きく分けて２つあり、一つ目は鋼板の先尾端における伸長率を故意に上下限から外すこと、二つ目は高速圧延中にロールギャップを人（操縦者）が操作することで伸長率を調整することである。
ロールギャップを操作した場合には当然ながら鋼板の圧延後形状が変化するため、同時に形状制御アクチュエータを操作する必要がある。しかし、500mpmを超える速度でのこの操作は蛇行や絞りなどの要因となり、場合によってはワークロール交換やバックアップロール交換が発生する危険性があるため難しく、一般的には鋼板の先尾端の伸長率を故意に上下限から外し、伸長率不良部である数メートルは調質圧延後に切り捨てる操業が行われている。

しかしながら、伸長率不良部を切り捨てる場合には歩留まりが低下する問題があるし、切り捨て枚数が多い場合には次コイルの段取りと干渉し、能率を低下させる問題が発生する。

このように、鋼板の先尾端における伸長率を故意に上下限から外すこと、ロールギャップを人の操作によって調整することで伸長率を調整すること、いずれも課題を有している。
したがって、熱延鋼板の調質圧延ラインにおける理想的な制御方法としては、調質圧延の速度に応じて変化する伸長率を上下限内に自動制御しつつ、荷重の変化に伴う形状変化を形状制御アクチュエータの操作によって矯正する制御方法であると言える。
そして、圧延後形状を平坦とする伸長率すなわち圧延荷重と、ベンダーなどの形状制御アクチュエータの操作量の関係は互換性があるとされており、圧延荷重が低下して腹伸びになったとしてもベンダーを効かせることで平坦形状が達成できるので、上記の方法は有効なものである。

調質圧延における形状制御に関し、圧延機入側に形状測定装置を設け、形状測定結果によって圧延中の形状制御アクチュエータの操作を行う制御方法が特許文献1に提案されている。

特開平10-34214号公報

しかしながら、特許文献１においては形状制御アクチュエータの操作開始時の条件等を何ら規定しておらず、それ故に、調質圧延開始時に設備による制約の上下限近くから形状制御アクチュエータの操作を開始すると、調質圧延中に形状制御アクチュエータの設備上の制約の上下限値に達してしまい、それ以上形状制御を行うことができなくなる場合がある。この場合には、伸長率の変更をせざるを得ないが、伸長率を変更した場合には同時に形状制御アクチュエータを操作する必要があり、形状制御アクチュエータが制約の上下限値にあれば操作自体が難しいし、さらに高速圧延中にこれらを同時に操作すると上述した問題が発生する。
また、特許文献1における圧延機入側に形状測定装置を設ける方法では、高速圧延の際に制御遅れが発生するなどの新たな問題点も浮上する。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、調質圧延の速度に応じて変化する伸長率を上下限内に制御しつつ、荷重の変化に伴う形状変化を形状制御アクチュエータの操作によって矯正できる熱延鋼板の調質圧延方法を提供することを目的としている。

本発明に係る熱延鋼板の調質圧延方法は、熱延鋼板を調質圧延機によって調質圧延する調質圧延方法であって、
圧延の開始前に、圧延対象となる金属帯の諸元、調質圧延条件に基づいて圧延開始時と圧延開始後における伸長率、圧延荷重及びベンダー量をそれぞれ計算によって求める計算工程と、
該計算工程で計算によって求められた伸長率、圧延荷重及びベンダー量に基づいて調質圧延を行う圧延工程とを有し、
前記計算工程における圧延開始時の計算においては、ベンダー量を前記調質圧延機の設備仕様の上下限±２０％以内となるように制約すると共に、伸長率を予め与えられた所定の範囲内として前記計算を行い、
前記計算工程における前記圧延開始後の計算においては、前記ベンダー量を調質圧延機の設備仕様の上下限以内となるように制約すると共に、伸長率を予め与えられた所定の範囲内として前記計算を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、調質圧延の速度に応じて変化する伸長率を上下限内に制御しつつ、荷重の変化に伴う形状変化を形状制御アクチュエータの操作によって矯正でき、伸長率を制約の範囲内に抑え、かつ形状も許容範囲内にすることができる。

本発明の実施の形態に係る熱延鋼板の調質圧延方法における計算の流れを示すフローチャートである。 鋼板のクラウンの定義を説明する説明図である。 実施例１における金属板のクラウンを説明するグラフである。 実施例１における圧延速度を説明するグラフである。 実施例１における金属板の伸長率を説明するグラフである。 実施例１におけるベンダー量を説明するグラフである。 実施例１における圧延荷重を説明するグラフである。 実施例１における出側形状を説明するグラフである（その１）。 実施例１における出側形状を説明するグラフである（その２）。 実施例２における金属板のクラウンを説明するグラフである。 実施例２における圧延速度を説明するグラフである。 実施例２における金属板の伸長率を説明するグラフである。 実施例２におけるベンダー量を説明するグラフである。 実施例２における圧延荷重を説明するグラフである。 実施例２における出側形状を説明するグラフである（その１）。 実施例２における出側形状を説明するグラフである（その２）。 鋼板に生ずる形状不良の態様を説明する説明図である。

本発明の一実施の形態に係る熱延鋼板の調質圧延方法は、熱延鋼板を調質圧延機によって調質圧延する調質圧延方法であって、圧延の開始前に、圧延対象となる金属帯の諸元、調質圧延条件に基づいて圧延開始時と圧延開始後における伸長率、圧延荷重及びベンダー量をそれぞれ計算によって求める計算工程と、該計算工程で計算によって求められた伸長率、圧延荷重及びベンダー量に基づいて調質圧延を行う圧延工程とを有するものである。
本発明の特徴は、計算工程にあるので、これを図１のフローチャートに基づいて詳細に説明する。
なお、形状制御アクチュエータの操作量と圧延後鋼板形状の関係が明らかであれば、各種形状制御アクチュエータを組み込むことができるが、本発明では熱延鋼板の調質圧延ラインであれば一般的に有していると考えられるワークロールベンダーを対象としている。

まず、Ｓ１で調質圧延を行う鋼板の諸元および調質圧延条件を読み込む。鋼板の諸元には、少なくとも調質圧延を行う鋼板の入側板厚、板幅、クラウン、引張強度、伸長率の上下限値を含む。一方、調質圧延条件には、少なくとも調質圧延機のワークロール径、入側張力、出側張力、圧延開始時の圧延速度および圧延開始後の圧延速度を含む。ただし、前記鋼板の引張強度に代えて、鋼板の降伏応力を用いてもよい。

次に、Ｓ２において伸長率を計算し、Ｓ３において圧延荷重計算を行う。圧延荷重の予測式としては各種用いられているが、本発明では計算時間やメンテナンスの簡略さの観点から以下に示す式（２）を用いた。式（２）において、P_Roll、H_in、ε、T_in、T_out、R₀、R、Ts₀、T_s、Vel₀、Vel、Wは、それぞれ圧延荷重、入側板厚、調質圧延の伸長率、入側張力、出側張力、基準ロール径、ロール径、基準引張強度、引張強度、基準圧延速度、圧延速度、鋼板の幅であり、a₀〜a₇、C₁、C₂は調整用補正係数である。なお、基準引張強度及び引張強度は、鋼板の基準降伏応力及び降伏応力を用いてもよい。

次に、Ｓ４においてＳ３の条件で調質圧延を行った場合に調質圧延後の鋼板の形状が平坦となるベンダー操作量を計算する。圧延後の鋼板形状を予測する方法としては各種あるが、本発明では計算時間やメンテナンスの簡略さの観点から式（３）（４）を用いており、調質圧延後の鋼板が平坦となるベンダー操作量は式（３）の２乗と式（４）の２乗の和の最小値を与えるベンダー量として計算でき、式（５）で与えられる。

ここでb₀〜b₃、c₀〜c₃は調整用補正係数であり、Λ₂およびΛ₄はそれぞれ幅端部での鋼板の平坦度、幅端部の約0.7倍の位置での鋼板の平坦度である。
式（３）（４）（５）におけるＣrは、図２及びＣr＝（Ｈc―Ｈe）/2で定義される入側鋼板のクラウン量であり、調質圧延を行う鋼板のクラウンが前工程である熱間圧延工程などにおいて長手方向全長で測定できていることが望ましい。
なお、長手全長のクラウンが測定できていない場合には長手一か所のクラウン実績を全長手位置に反映して計算をすればよい。

続いて、Ｓ４において計算されたベンダー量が所定の制約の範囲内かどうかのチェックを行うことになるが、この制約が圧延開始時と圧延開始後で異なるので、まず、Ｊ１において圧延開始時（圧延TOP）かどうかを判定し、圧延TOPの場合には、Ｊ２において、計算ベンダー量が設備仕様における上下限値の±２０％以内に納まっているかのチェックを行う。これは、調質圧延開始時のベンダー量が設備仕様の上下限に近い場合だと、調質圧延中にベンダーにより形状矯正できなくなる可能性があるためである。
たとえば、設備仕様における上下限値が±60tonf/チョックの場合には、調質圧延開始時にはベンダー制約を±10tonf/チョックとすることで、調質圧延開始時のベンダー操作量を±10tonf/チョック程度から開始することができる。

Ｊ１において圧延TOPでない場合、すなわち圧延開始後の場合には、Ｊ３において、計算ベンダー量がベンダー制約内であるかどうかのチェックを行う。圧延開始後においては、ベンダー制約は設備仕様の上下限まで使用することができる。
たとえば、設備仕様における上下限値が±60tonf/チョックの場合には、調質圧延開始後にはベンダー制約の上下限を±60tonf/チョックとする。

Ｊ２、Ｊ３の判断において、ベンダー操作量がそれぞれのベンダー制約から外れる場合には、Ｓ５においてベンダー操作量が制約内となる伸長率およびその際の圧延荷重を計算する。
具体的には、Ｓ４において計算したベンダー操作量がベンダー制約の上限より大きい場合には式（６）により、ベンダー制約の下限よりも小さい場合には式（７）により、Ｓ４において計算されたベンダー操作量とベンダー制約上下限との差ΔP_Benを計算する。

ここで、P_Benul,P_Benllはそれぞれベンダー制約の上下限である。続いて式（８）により圧延荷重を修正し、式（９）〜（１１）により修正後の伸長率を求める。

ここでP_Rollnewは修正後の予測圧延荷重、εnewは修正後の伸長率すなわちベンダー操作量が上下限範囲内となる伸長率であり、C₃は調整用補正係数である。

その後、Ｓ６により伸長率の上下限値を読み込む。ここで言う伸長率の上下限は、例えば客先からの要望や、鋼板の入側板厚および調質圧延後の目標板厚などから必然的に決定される値である。

次に、Ｊ４により、Ｓ２で計算した伸長率又はＳ５で修正した伸長率がＳ６で読み込んだ伸長率の範囲内かどうかを判断し、範囲内であれば、計算が尾端まで終了したか（圧延開始後まで終了したか）を判断して、Ｙｅｓの場合には計算を終了し、Ｎｏの場合には、Ｓ２に戻って同様の計算を行う。
以上の計算より、調質圧延中のベンダー操作量を最大限確保した状態で圧延を開始することができる。
なお、Ｊ４においてＳ２で計算した伸長率又はＳ５で修正した伸長率がＳ６で読み込んだ伸長率の範囲外であると判断された場合には、Ｓ７において伸長率を上下限値の近い方に修正し、そのときの圧延荷重とベンダー量を再計算し、計算された値で圧延を開始する。

Ｓ７において伸長率を変更した場合には目標の伸び率を達成できるベンダー操作量がベンダー制約±10tonf/チョック内もしくは±60tonf/チョックには存在しないことになる。その際には、一般的には出側圧延形状よりも伸長率不良の方が歩留まり低下の影響が大きいため、伸長率を上下限の近い方に設定し、ベンダーは制約を超過した状態で圧延を開始することになる。
Ｓ７のあとは、計算が尾端まで終了したか（圧延開始後まで終了したか）を判断して、Ｙｅｓの場合には計算を終了し、Ｎｏの場合には、Ｓ２に戻って同様の計算を行う。
Ｊ５において、「尾端まで終了」としているのは、上述の説明では、圧延開始前か圧延開始後かの二者での選択になっているが、圧延開始後を例えば鋼帯の長さ方向で９領域に分割して各領域において上記のような計算をしてもよく、このような場合を含めるためである。

以上詳細に説明した計算工程を前提として、圧延工程を実行することにより、圧延開始時において形状制御アクチュエータの操作量を確保した状態で圧延を開始することができるので、調質圧延の速度に応じて変化する伸長率を上下限内に制御しつつ、荷重の変化に伴う形状変化を形状制御アクチュエータの操作によって矯正できる。これによって、伸長率を制約の範囲内に抑え、かつ形状も許容範囲内にすることが可能となる。

また、本発明は圧延荷重式（２）および調質圧延後の鋼板の形状計算式（３）（４）に重回帰式を採用し、かつ数値計算等の繰り返し計算を用いないことで解析的な逆算を可能としており、オンラインモデルとしても使用できるほど短時間での計算が可能である。

本発明の効果確認を行うためのシミュレーションを行ったのでこれについて以下説明する。
ミル形式4Hi、バックアップロール径1100mm、ワークロール径560mm、最高圧延速度800mpm（図４参照）の調質圧延機を用い、入側板厚2mm、板幅1300mm、入側張力2tonf、出側張力8tonf、クラウン量は全長で50μm（図３参照）、材料の引張強度60kgf/mm²、圧延開始時（圧延TOP）のベンダーの制約範囲±10tonf/チョック、圧延機のベンダーの制約範囲±70tonf/チョック、伸長率の制約範囲0.5〜0.9%の範囲で設定計算を行った。
従来例として、調質圧延で従来行われている一態様である荷重一定制御によって荷重が制御され、形状セットアップによって最適なベンダー操作量が設定されているものを行った。
シミュレーションの結果を、図５〜図９に示す。
図５は、縦軸が伸長率（％）、横軸が鋼帯の先端から尾端までの長手方向の位置を表しており、図中の網掛けで示した範囲が伸長率の制約範囲である。
図６、図７、図８、図９の縦軸は、それぞれベンダー（tonf/チョック）、圧延荷重（tonf）、板幅方向の両端における形状評価指数Λ₂（I-unit）、板幅方向の中央部における形状評価指数Λ₄（I-unit）で、横軸は図５と同様である。

従来例では、図５に示すように、圧延速度の増加に伴い伸長率が低下し、800mpmに達した時点で、伸長率の制約範囲から外れている。
他方、本発明例においても圧延速度の増加に伴い伸長率が低下するが、伸長率制約の下限に達した時点から伸長率の低下を防いでおり、伸長率不良を防止している。
伸長率を保持したことで圧延荷重が増加するが（図７参照）、ベンダーを10tonf/チョックから開始したことで、圧延速度が増加した時点でのベンダーによる鋼板の形状制御を制約範囲内で行うことができ（図６参照）、圧延荷重が増加したことで変化するロールたわみを補償し、出側鋼板の形状を約-15I-unitにとどめている（図９参照）。

このように、本発明例では、従来例の制御では伸長率が制約範囲を外れる場合であっても、伸長率を制約の範囲内に抑え、かつ形状も許容範囲内にすることができる。

次に、熱間圧延工程でのクラウン実績が長手全長で測定できている場合について（図１０参照）、これをセットアップ計算の入力として用いた例を示す。
ミル形式4Hi、バックアップロール径1000mm、ワークロール径510mm、最高圧延速度800mpmの調質圧延機を用い（図１１参照）、入側板厚3mm、板幅1000mm、入側張力3tonf、出側張力12tonf、材料の引張強度40kgf/mm²、圧延開始時（圧延TOP）のベンダーの制約範囲±10tonf/チョック、圧延機のベンダーの制約範囲±70tonf/チョック、伸長率の制約範囲0.5〜1.0%の範囲で設定計算を行った。
また、従来例として、伸長率不良を防止するために伸長率一定制御とした場合を行った。
シミュレーションの結果を、図１２〜図１６に示す。なお、図１２〜図１６の縦軸、横軸はそれぞれ図５〜図９と同様である。

従来例では、図１２に示すように、伸長率は全長にわたり1%であるが、出側鋼板形状を考慮していないために、圧延荷重の増加に伴い、ロールベンディングが変化し、出側鋼板形状不良が大きくなっている（図１５、図１６参照）。
一方、本発明例では、調質圧延開始時のベンダー操作量を従来例に比較して小さくして、圧延途中でのベンダーによる形状制御範囲を確保しており、その結果、出側鋼板形状は従来例よりもよく（図１５、図１６参照）、伸長率も制約の範囲内に収まっている（図１２参照）。

以上のとおり、本発明例では、従来例の制御では形状不良が大きくなる場合であっても、伸長率を制約の範囲内に抑え、かつ形状も良好にすることができる。

次に熱間圧延工程でのクラウン実績が長手全長で測定できている場合について、これをセットアップ計算の入力として用いた例を示す。
ミル形式4Hi、バックアップロール径1000mm、ワークロール径560mm、最高圧延速度800mpm、ベンダーの設備制約±70tonf/チョックの調質圧延機を用い、入側板厚2mm、板幅1000mm、入側張力2tonf、出側張力8tonf、材料の引張強度60kgf/mm²、伸長率の上限値0.9％、伸長率の下限値0.5％の条件で、圧延開始時のベンダー制約をベンダーの設備仕様範囲内で変化させた。

表１に実施例を示す。なお、調質圧延後の鋼板の形状不良としては、形状評価指数Λ₂またはΛ₄の大きさがI-unitで10を超えた形状がコイル内に存在する場合を×評価とした。また、伸長率不良として、所定の伸長率上下限値を超えた部分がコイル内に存在する場合を×評価とした。このとき、形状不良または伸長率のいずれかが×評価の場合に、表中の「形状不良または伸長率不良」の評価を×として、いずれも良好であったケースを○として評価を行った。

表１から分かるように、圧延開始時のベンダー量の設備仕様に対する比率が±20％以内となるように制約し、圧延開始後の計算においてはベンダー量を調質圧延機の設備仕様の上下限以内とすることによって、伸長率を制約の範囲内に抑えながら、形状も許容範囲内にすることができる。

Claims (1)

1. 熱延鋼板を調質圧延機によって調質圧延する調質圧延方法であって、
   圧延の開始前に、圧延対象となる金属帯の諸元、調質圧延条件に基づいて圧延開始時と圧延開始後における伸長率、圧延荷重及びベンダー量をそれぞれ計算によって求める計算工程と、
   該計算工程で計算によって求められた伸長率、圧延荷重及びベンダー量に基づいて調質圧延を行う圧延工程とを有し、
   前記計算工程における圧延開始時の計算においては、ベンダー量を前記調質圧延機の設備仕様の上下限±２０％以内となるように制約すると共に、伸長率を予め与えられた所定の範囲内として前記計算を行い、
   前記計算工程における前記圧延開始後の計算においては、前記ベンダー量を調質圧延機の設備仕様の上下限以内となるように制約すると共に、伸長率を予め与えられた所定の範囲内として前記計算を行うことを特徴とする熱延鋼板の調質圧延方法。